连续螺旋折流板式井中电加热器的数值模拟及室内实验研究

发布时间：2019-11-20 19:46

【摘要】：目前,油页岩开采技术可分为地表干馏技术和地下原位转化技术。地表干馏技术需要将油页岩从地下开采到地表,不仅需要耗费大量人力和财力,而且存在废渣存放占地多、环境污染大和开发效率低等缺点。地下原位转化技术,相当于把“炼油厂”放到地下,不需要将油页岩资源开采到地表,直接对油页岩矿藏加热使其裂解,然后将裂解产生的页岩油气输运到地表,该技术可明显克服地表干馏技术的缺点。按照注热方式不同,可将原位转化技术分为地面注热方法和井中直接加热方法。地面注热方法是在地面产生高温气体,并由地表向油页岩地层注入高温气体,气体在管程输运过程中会有大量热量损失,能量利用率低,只适用于浅层油页岩;而井中直接加热方法是利用井中加热器直接加热注入气体,能量利用率高,可应用于深层和浅层油页岩。本文主要研究井中直接加热方法的关键技术-井中加热器,重点研究连续螺旋折流板式井中电加热器。首先,对油页岩注气原位转化井中加热器进行系统设计。根据油页岩原位转化加热器的使用工况条件,对井中加热器的控制系统进行理论分析,设计了加热器PID控制方案及控制流程。结合管壳式热交换器的传热理论,分析横向折流板和连续螺旋折流板这两种换热结构的特征,连续螺旋折流板换热器具有不存在传热死区、传热效率高、压力降小以及管束诱导振动小等优点,非常适用于油页岩井中直接加热气体技术,并设计了螺距分别为50mm、110mm、160mm和210mm的四种连续型螺旋折流板加热器样机,以及折流板间距为110mm的横向折流板加热器样机。然后,对设计的五种加热器样机进行数值模拟研究。使用Soild Works软件建立简化模型,通过ANSYS Meshing 14.0软件划分网格,然后采用计算流体力学软件Fluent 14.0进行数值模拟分析计算,本文模拟了加热器壳程的流速、加热管表面传热系数及温度、壳程压力降等。模拟结果表明:与横向折流板加热器相比,连续型螺旋折流板加热器壳程流态均匀,不存在流动死区;加热管表面传热系数和温度均匀、不存在局部高温区;壳程压力降更小;连续型螺旋折流板加热器的加热管表面传热系数随着螺距增大而降低,表面温度随着螺距增大逐渐升高,壳程压力降随着螺距增大逐渐降低。接着,设计加工实验测试平台,开展四种连续型螺旋折流板加热器样机的室内实验研究。根据研究目的,分别进行了恒功率实验和恒出口温度实验,恒功率实验主要研究壳程雷诺数、传热系数和壳程压力降,恒出口温度实验主要研究加热管的表面温度,通过采集加热器进出口温度、进出口压力和加热管表面温度等实验参数,分析实验结果。实验结果分析表明:加热器壳程气体在流动加热过程中,气体粘度逐渐升高、雷诺数逐渐降低,趋于柱塞流状态发展;壳程雷诺数随着螺距减小而逐渐升高,螺距越小,增长趋势速度越快;通过建立加热器壳程雷诺数与传热系数的拟合关联式,加热器壳程雷诺数和气体物理性质决定着加热器传热性能,适当采取提高加热器壳程雷诺数措施可提高加热器的传热系数;名义传热系数随着通入气体质量流量的增加呈线性增长,螺距越小,增长速度越大;相同质量流量的壳程压力降随着螺距增大逐渐降低;加热管表面温度随着壳程气体流动方向逐渐增长,螺距越大温度越高。最后,采用h/ΔP和h·ΔP-1/3两种综合评价方案,通过对实验数据的分析,评价四种设计方案的连续型螺旋折流板加热器样机。评价结果表明:H160方案连续型螺旋折流板加热器的综合性能最优,适合应用于油页岩原位转化井中直接加热气体方法。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE937

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本文编号：2563683